通信用光器件—光源.pdf

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1、通信用光器件——光源半导体光电子技术基础知识激光的产生及激光器的工作原理半导体激光器(LD)发光二极管(LED)半导体光源的性能与应用激光器的调制半导体光电子技术基础知识1.光子的概念2.能级的概念3.光与物质的相互作用3.1自发辐射3.2受激吸收3.3受激辐射4.粒子数反转与光放大1.光量子说：光子概念光量子学说认为，辐射能（即光波能）不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。这种小微粒叫做光量子。能量大小为hν，其中h=6.628×10−34J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，ν是光波频率。光与物质作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。

2、2.玻尔的原子能级假说1913年玻尔在前人工作的基础上提出了原子能级假说，原子只能处于一系列不连续的稳定的能量状态中，电子虽然作绕核运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态，对应能量值叫能级；原子的不同能量状态跟电子沿不同的轨道作绕核运动相对应，都是不连续的。孤立原子中电子分布在许多层轨道上，每层轨道对应确定的能级2）原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子会吸收或辐射一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定3.光与物质的相互作用光与物质的相互作用，可以归结为光与电子的相互作用，将发生自发辐射、受激辐射、受激吸收、三种物理过程。1.自发辐射；2.受激辐射；3.受

3、激吸收；(1).自发辐射与外界影响无关、自发地进行辐射称为自发辐射。自发辐射的特点：每次自发辐射产生的光子都是相互独立的，它们之间毫无联系。虽然光子的频率相同，但是振动方向、相位都不一定相同。即大量自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，自发辐射光是非相干光。自发辐射过程自发进行，Em产生光子的方向，频率等是E随机的。n自发辐射(2).受激辐射(2).受激辐射：处于高能级E2上的电子在外来光子的激发下，由高能级E2跃迁到低能级E1上去，同时辐射出一个与外来光子完全相同的光子，这种过程叫受激辐射。a.只有外来光子能量hf＝E2-E1时，才能引起受激辐射；21b.受激辐射产生的光子和

4、外来光子具有完全相同的特征，即频率、相位、振动方向和传播方向均相同，（称为“全同光子”），为相干光；c.在受激辐射过程中，通过一个光子的作用，可以得到两个全同光子，依次类推，此现象称为“光放大”。受激辐射过程EmEn受激辐射(3).受激吸收受激吸收：是受激辐射的相反过程，处于低能级E1的电子受到外来光子的激发，完全吸收此光子的能量而跃迁到高能级E的过程。2a.只有外来光子能量hf＝E-E时，才能引起受激吸收；2121b.受激吸收的过程不是释放出能量，而是消耗外来光能；受激吸收过程EmEn受激吸收三种过程之间的区别与联系1.受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级

5、之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E-E=hf2112式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f为吸收或辐射的光子频率。122.受激辐射和自发辐射产生的光的特点很不相同。a.受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。b.自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。三种过程之间的区别与联系相干光与非相干光的比较非相干光的叠加只是功率叠加相干光叠加将会出现干涉，是电磁场叠加3产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单

6、位物质中，处于低能级E1和处于高能级E(E>E)的电子数分别为N和N。22112当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E-E)>0，T>0，所以在热平衡状态时，总是21N>N。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。124.粒子数反转与光放大受激吸收和受激辐射的发生几率分别正比于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。1.如果N1>N2，则受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。2.如果N2>N1，则受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大

7、作用，这种物质称为激活物质。在正常状态下，N1＞N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2>N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。通信用光器件——光源半导体光电子技术基础知识激光的产生及激光器的工作原理半导体激光器(LD)发光二极管(LED)半导体光源的性能与应用激光器的调制激光产生前的思想突破50年代初，年轻的C.H.Town